508 ОПТИМИЗИРАНЕ НА 4 И 5 ОСНИ ФРЕЗОВИ ОПЕРАЦИИ ПРИ ОБРАБОТВАНЕ НА ДЕТАЙЛ КОЛЕЛО ТУРБИННО С ПОМОЩТА НА CAD/CAM СИСТЕМИ Михаела Топалова, Михаил Милев, Димитър Панайотов Резюме: В статията са разгледани алтернативни варианти за изпълнение на 4 и 5 осни фрезови операции от технологичния процес за обработване на детайл Колело турбинно. Предложени са различни технологични стратегии за изпълнение на фрезовите операции. Анализирани са резултатите от симулацията им в средата на CAD/CAM системата TopSolid и са препоръчани оптималните от тях. Ключови думи: технологични стратегии, CNC фрезоване, САD/CAM системи, TopSolid. 1. Въведение CAD/CAM системите са важно средство за съкращаване на цикъла на проектиране и производство в съвременното машиностроене. Те предлагат широк набор от функционалности за оптимизация в съответствие с конструктивните изисквания към изделията, технологичните възможности на машинния парк и спецификата на организацията на производството в конкретна фирма. CAM средите създават условия за проектиране на технологични процеси чрез реализиране и сравняване на различни стратегии при обработването на детайлите. За определяне на оптималната от тях могат да се използват различни критерии, като най-често се прилага критерият време за обработване. Целта на разработката е да се изследват възможностите за оптимизиране на 4 и 5 осните фрезови операции, част от технологията за механично обработване на детайл Колело турбинно. 2. Технология за обработване на детайла За обработване на детайл Колело турбинно (фиг. 1) са разработени алтернативни варианти на технологичен процес в интегрираната среда на CAD/CAM системата за инженерно проектиране TopSolid. Възприето е технологичният маршрут условно да се раздели на две групи операции. Първата група съдържа технологичните операции, изпълнявани преди 4 и 5 осното фрезоване. Тези операции са идентични за разглежданите алтернативни варианти на технологичния процес и не подлежат на модифициране при настоящото изследване. Втората група съдържа 4 и 5 осните фрезови операции за обработване на лопатките на турбинното колело. За тези
операции са разработени алтернативни варианти, различаващи се по съдържание, последователност и параметри на изпълняваните операции. Видът на детайла (заготовката) преди тяхното изпълнение е показан на фиг. 2. На обработване подлежат само маркираните повърхнини, по които е предвидена прибавка за фрезоване. Фиг. 1 3D модел на детайл Колело турбинно Фиг. 2 Вид на заготовката преди 4 и 5 осните фрезови операции Съдържанието на разработения технологичен процес [1] е показано на фиг. 3. За изпълнение на технологичните операции са използвани две машини стругов център WFL M30G и вертикален обработващ център DMG DMU70. На струговия център детайлът се обработва двустранно, като се изпълняват всички операции от технологичния маршрут с изключение на 5 осните фрезови. Последните се изпълняват на обработващ център DMG DMU70. Фиг. 3 Технологичен процес за обработване на детайл Колело турбинно 509
Предмет на изследването са алтернативни технологични варианти за 4 и 5 осно фрезоване на лопатките на турбинното колело и определяне на оптималните от тях. 3. Технологични стратегии за изпълнение на фрезовите операции Съгласно предложените в [2] стъпки за оптимизиране на обработването при използване на CAD/CAM системи (фиг. 4), оптимизация може да се направи на: работните ходове работа с различни режими на рязане и стратегии на обработване; спомагателните ходове обработване при различна последователност на технологичните операции и дължина на спомагателните ходове. Оптимизирането на режимите на рязане е свързано, както с технологичните възможности на обработващата машина, така и с избора на подходящи по вид и типоразмер режещи инструменти. Фиг. 4 Стъпки при оптимизиране на обработването [2] При 4-осното фрезоване се изследва влиянието на геометрията на три типоразмера плацови фрези (фиг. 5) върху времето за изпълнение на технологичната операция. При изпълнение на 5-осните фрезови операции се променя последователността на обработване на повърхнините на лопатките и стратегията на водене на инструмента при обработване. Приложени са следните стратегии: водене по една крива с двустранно последователно фрезоване (фиг. 6 а, фиг. 8 а); водене по една крива с двустранно фрезоване през една лопатка (фиг. 6 б, фиг. 8 б); водене по една крива с едностранно фрезоване (фиг. 6 в, фиг. 8 в); водене по две криви с последователно фрезоване (фиг. 6 г, фиг. 8 г); водене по две криви с фрезоване през една лопатка (фиг. 6 д, фиг. 8 д). 510
Изследвана е и възможността за прилагане на високоскоростно рязане при изпълнение на чистото фрезоване. Палцова фреза 8 Палцова фреза 10 Палцова фреза 12 Палцова фреза сферична 6 Палцова фреза сферична 10 Палцова фреза сферична 12 Фиг. 5 Алтернативни варианти за 4-осно фрезоване с различни палцови фрези Фиг. 6 Стратегии за 5 осно фрезоване на лопатките 4. Сравнителен анализ на получените резултати Продължителността на изпълнение на 4 и 5 осните фрезови операции е определена чрез компютърна симулация на разработените алтернативни технологични варианти в средата на CAM модула на TopSolid. Получените от симулацията резултати са показани на фиг. 7 и фиг. 8. Резултатите от проведените експерименти могат да бъдат обобщени по следния начин: При 4 осната фрезова обработка влиянието на размера и типа на инструмента върху времето за изпълнение на операцията варира в диапазона от 86:22 до 52:12 min при обработване с палцова фреза 10. При работа на инструментите с различна геометрия се пораждат различни по големина сили на рязане, които разглеждани в контекста на стабилност на инструмента също са в полза на варианта с палцова фреза 10. При приложените технологични стратегии за обработване на лопатките минимални са времената при фрезоване с водене на 511
инструмента по две криви. При тази стратегия обаче се получава недопустимо врязване на инструмента в повърхнината, което се дължи на сложната геометрия на лопатките. По тази причина за оптимален може да се приеме вариантът едностранно фрезоване чрез водене на инструмента по една крива (113:03 min). Прилагането на тази технологична стратегия ще допринесе и за намаляване на термичните деформации, което ще се отрази благоприятно на качеството на турбинното колело. При изпълнение на 5 осното чисто фрезоване е за предпочитане да се приложи високоскоростно фрезоване. Производителността в сравнение с конвенционалното фрезоване се повишава между 29% и 48% в зависимост от прилаганата технологична стратегия. Фиг. 7 Времена за изпълнение на 4 осните фрезови операции Фиг. 8 Времена за изпълнение на 5 осните фрезови операции 512
5. Изводи При 4 осното грубо фрезоване на лопатките е за предпочитане да се използва палцова фреза с линеен режещ ръб, която осигурява пониски машинни времена и по-добра стабилност при рязане. 5 осното високоскоростно чисто фрезоване се отразява чувствително на производителността при прилагане на технологичните стратегии за водене по една крива. Изборът на подходяща технологична стратегия за 4 и 5 осно фрезоване позволява значително да се намали времето за обработване на лопатките на турбинното колело. Литература: 1. Панайотов Д. Проектиране на технологичен процес за механично обработване на детайл Колело турбинно в средата на TopSolid CAM. Дипломна работа. Сливен, 2013. 2. Чакърски Д, Ст. Николов, Г. Хаджикосев. Оптимизиране обработването на корпусни детайли с помощта на CAD/CAM системи. XVIII ННТК с международно участие АДП-2009, юни 2009, Созопол //Научни известия на НТС по машиностроене, год. XVI, с. 466-472 // ISSN 1310-3946. OPTIMIZATION OF 4 AND 5 AXIS MILLING OPERATIONS FOR PROCESSING A TURBINE WHEEL WITH CAD/CAM SYSTEMS MihaelaTopalova, Mihail Milev, Dimitar Panayotov Abstract: In this paper the alternative variants of 4 and 5 axis milling operations for machining a turbine wheel are considered. Different technological implementation strategies for the milling operations are proposed. The results of their computer simulation with CAD/CAM system TopSolid are analyzed and the optimal from them are recommended. Данни за авторите: Михаела Димитрова Топалова, доцент доктор инж., катедра ММТ при ИПФ Сливен, Технически Университет София, Р. България, Сливен, бул. Бургаско шосе 59, е-mail: m_topalova@tu-sofia.bg Михаил Светославов Милев, главен асистент инж., катедра ММТ при ИПФ Сливен, Технически Университет София, Р. България, Сливен, бул. Бургаско шосе 59, е-mail: tu_mihail_milev@abv.bg Димитър Тенев Панайотов, студент инж., катедра ММТ при ИПФ Сливен, Технически Университет София, Р. България, Сливен, бул. Бургаско шосе 59, е-mail: dimitar_tp@abv.bg 513